DE102006051327A1

DE102006051327A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102006051327A1
Application number: DE102006051327A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krause
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2008-05-08
Also published as: EP2087228B1; EP2087228A1; US20100282872A1; JP2010508468A; US8313048B2; WO2008052840A1

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (18) einer Brennkraftmaschine, weist eine in einem Düsenkörper (2) angeordnete Ventilnadel (3), welche durch einen Aktor betätigbar ist, und einen mit der Ventilnadel (3) in Wirkverbindung stehenden Ventilschließkörper (4) auf, der zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) mit einer Ventilsitzfläche (6) zusammenwirkt, die an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet ist, wobei der Ventilsitzkörper (5) mit zumindest einem Spritzloch (7) versehen ist. Das zumindest eine Spritzloch (7) besteht aus einem ersten zylindrischen Abschnitt (40) mit einer Brennstoffeinlassöffnung (36) und einem stromabwärts des ersten zylindrischen Abschnitts (40) angeordneten zweiten zylindrischen Abschnitt (41) mit einer Brennstoffauslassöffnung (37), wobei der erste und der zweite zylindrische Abschnitt (40, 41) nicht koaxial zueinander verlaufen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs aus.
Zur Gemischaufbereitung werden bei derzeitig im Einsatz befindlichen Einspritzventilen für die Benzindirekteinspritzung in der Regel zylindrische Spritzlöcher vorgesehen. Gestufte Spritzlöcher werden derzeit eingesetzt, um das Spritzloch vor Ablagerungen zu schützen und um eine Spritzlochverkürzung bei konstanter Spritzlochscheibendicke zu erzielen.
Aus der WO 02/084104 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, welches eine Magnetspule, eine mit der Magnetspule in Wirkverbindung stehende und in Schließrichtung von einer Rückstellfeder beaufschlagte Ventilnadel zur Betätigung eines Ventilschließkörpers, der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitzfläche einen Dichtsitz bildet, und zumindest zwei Abspritzöffnungen, die in dem Ventilsitzkörper ausgebildet sind, umfasst. Die Abspritzöffnungen sind so in dem Ventilsitzkörper ausgebildet, dass sie vor zirkulierenden Gemischströmungen in einem Brennraum der Brennkraftmaschine abgeschirmt sind und weisen dazu ein zylindrisches Abspritzloch und einen sich daran anschließenden Ringwall auf, der hoch genug ist, jede der Abspritzöffnungen gegen die im Brennraum zirkulierenden Strömungen abzuschirmen.
Um eine Spraywinkelerhöhung zu erzielen, ist es weiterhin im Stand der Technik bekannt, das Länge-/Durchmesser-Verhältnis des Spritzlochs zu reduzieren, jedoch ist die Reduzierung der Spritzlochlänge aufgrund der damit verbundenen Festigkeitsabnahme der Spritzlochscheibe limitiert.
Für die Saugrohreinspritzung werden darüber hinaus Ventile mit trompetenförmigen Spritzlöchern eingesetzt, welche dem Strahl schon innerhalb des Spritzloches eine hohe Querbewegung verleihen und damit eine schnelle und gute Zerstäubung ermöglichen. Hierdurch wird ebenfalls eine Erhöhung des Spraywinkels erzielt, jedoch mit mäßiger Strahlstabilität. Der Strahlwinkel ist bei einer derartigen Konfiguration stark von den Anströmverhältnissen abhängig.
Bei den oben beschriebenen Ventilen besteht der Nachteil, dass die Gemischaufbereitung über einen turbulenten annähernd zylindrischen Freistrahl erfolgt, der ein relativ geringes Oberflächen-/Volumen-Verhältnis aufweist.
Weiterhin sind Ventile für die Niederdruckeinspritzung bekannt, welche stark geneigte konische Spritzlöcher aufweisen. Da die als dünner Film abgespritzte Masse wesentlich besser zerstäubt als der Hauptstrahl, kommt es zwar insgesamt zu einer SMD-Verbesserung, jedoch eignet sich diese Geometrie nicht für Brennstoffeinspritzventile mit gestuften Abspritzlöchern und die Querströmung, welche vorrangig durch den Lochneigungswinkel φ des Spritzloches erzeugt wird, ist zwangsläufig mit dem Abspritzwinkel γ gekoppelt.
Vorteile der Erfindung
Demgegenüber hat das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs den Vorteil, dass eine Verbesserung des SMDs, insbesondere für Saugrohreinspritzventile, erzielt wird, und es besteht mittels der erfindungsgemäßen Konfiguration die Möglichkeit einer Spraywinkelerhöhung bei Hochdruckeinspritzventilen, um die Strahlpenetration in den Brennraum weiter reduzieren zu können. Im Verglich zu dem oben beschriebenen Ventil ist die für das zur Strahlaufweitung verwendete Prinzip erforderliche Querströmung auch nicht zwangsweise mit dem Abspritzwinkel γ gekoppelt.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Konfiguration des Spritzlochs bei bereits mit gestuften Spritzlöchern gefertigten Brennstoffeinspritzventilen eingesetzt werden, wobei lediglich eine entsprechende Modifikation der Lochachsen notwendig ist.
Es ist besonders vorteilhaft, dass das oben beschriebene erfindungsgemäße Prinzip der Strahlaufbereitung mit bereits etablierten Fertigungsmethoden ermöglicht wird.
Darüber hinaus ist von Vorteil, dass gegenüber den oben beschriebenen Ventilen des Standes der Technik nicht nur ein turbulenter zylindrischer Freistrahl erzeugt wird, der relativ schlecht bzw. nur bei Anwendung hoher Drücke gut zerstäubt, sondern ein gewisser Anteil des Brennstoffdurchflusses als dünne, gut zerstäubende Lamelle abgespritzt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ist, dass die Umfangsrichtung des Fluids ähnlich wie beim Drallventil beim Verlassen des Spritzloches eine zusätzliche Aufweitung des Strahls über den geometrischen Winkel hinaus bewirkt.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand der Technik, ein Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzelements gemäß dem Stand der Technik sowie eines Ventilsitzelements eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik;
2a, 2b einen schematischen Querschnitt durch einen Ventilsitzkörper gemäß dem Stand der Technik bzw. eine Abbildung einer durch das Spritzloch erzeugten Strahlgeometrie entlang der Linie A-A der 2a;
3a, 3b einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ventilsitzkörper bzw. eine Abbildung einer Spritzlochgeometrie entlang der Linie A-A der 3a; und
4a, 4b einen schematischen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Ventilsitzkörper bzw. eine Abbildung der erzeugten Strahlgeometrie entlang der Linie A-A der 4a.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß dem Stand der Technik, an welchem die wesentlichen Bauteile des Ventils kurz erläutert werden sollen.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil 1, welches über ein Spritzloch 7 verfügt. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen den Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet. Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch einen Spalt 26 voneinander getrennt und stützen sich auf einem Verbindungsbauteil 29 ab. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.
die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. An der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Hülse 24 auf Vorspannung gebracht wird. Ein zweiter flansch 31, welcher mit der Ventilnadel 3 ebenfalls über eine Schweißnaht 33 verbunden ist, dient als unterer Ankeranschlag. Ein elastischer Zwischenring 32, welcher auf dem zweiten Flansch 31 aufliegt, vermeidet Prellen beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und in dem Ventilsitzkörper 5 verlaufen Brennstoffkanäle 30a, 30, die den Brennstoff, welcher über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert wird, zum Spritzloch 7 in dem Ventilsitzkörper 5 leiten. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht dargestellte Verteilerleitung abgedichtet.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 über den ersten Flansch 21 an der Ventilnadel 3 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilsitzkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 13 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, und damit die Ventilnadel 3 ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab und der über die Brennstoffkanäle 30a, 30b zum Spritzloch 7 gelangende Brennstoff wird abgespritzt. Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 auf den ersten Flansch 21 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich die Ventilnadel 3 entgegen der Hubrichtung bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 auf, und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
2a zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ventilsitzkörper 5 gemäß dem Stand der Technik. Der Ventilsitzkörper 5 weist eine zulaufseitige Stirnfläche 34 und eine gegenüberliegende abspritzseitige Stirnfläche 35 auf. Das Spritzloch 7 tritt an der zulaufseitigen Stirnfläche 34 schräg zu dieser in einem mit ihr gebildeten Winkel φ über eine Eintrittsöffnung 36 in den Ventilsitzkörper 5 ein und tritt an der abspritzseitigen Stirnfläche 35 unter einem Winkel γ, welchen die Längsachse des Spritzlochs 7 mit der Stirnfläche 35 bildet, wieder aus. Das Spritzloch 7 weist somit eine stark geneigte und auch konische Form auf. Der Neigungswinkel γ bzw. φ des Spritzlochs führt zum einen dazu, dass die Strömung am Spritzlocheinlauf ablöst und somit eine zweiphasige Strömung im Spritzloch entsteht. Zum anderen wird die Einlaufströmung v_ein in eine Axialkomponente v_ax und eine Radialkomponente v_r aufgeteilt. Der Winkel zwischen V_ein und v_ax(90° – δ) entsteht vorwiegend durch den Winkel φ, kann aber auch durch eine forcierte Queranströmung des Loches und damit Richtungsänderung von V_ein vermindert oder vergrößert werden. Die senkrecht auf die Spritzlochwand geneigte Geschwindigkeitskomponente v_r wird in eine Umfangskomponente umgewandelt, die dazu führt, dass im mit Luft gefüllten Teil des Spritzloches ein dünner Film aufgebaut wird. Der Rest des Durchflusses wird wie bei anderen Ventilen als annähernd zylindrischer Hauptstrahl 38 abgespritzt. Da die als dünner Film 39 abgespritzte Masse wesentlich besser zerstäubt als der Hauptstrahl 38, kommt es in der Summe zu einer SMD-Verbesserung, jedoch ist die für dieses Prinzip erforderliche Queranströmung, welche vorrangig durch den Lochneigungswinkel φ des Spritzlochs 7 erzeugt wird, mit dem Abspritzwinkel γ gekoppelt. Die durch diese Konfiguration erzeugte Strahlgeometrie entlang der Linie A-A der 2a ist in einer Draufsicht auf die Strahlgeometrie in 2b gezeigt.
3a zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ventilsitzkörper 5. Der Ventilsitzkörper 5 weist ein Spritzloch 7 auf, welches an seiner zuströmseitigen Stirnfläche 34 in den Ventilsitzkörper 5 eintritt und einer abspritzseitigen Stirnfläche 35 austritt. Das Spritzloch 7 besteht aus einem ersten zylindrischen Abschnitt 40 und einem zweiten zylindrischen Abschnitt 41, welche nicht koaxial zueinander angeordnet sind. Vielmehr bildet die Einlassöffnung 36 bzw. eine Längsachse des ersten zylindrischen Abschnitts 40 mit der zuströmseitigen Stirnfläche 34 einen Winkel φ, welcher den Einlaufwinkel der Brennstoffströmung in das Spritzloch 7 kennzeichnet. Die Austrittsöffnung 37 bzw. die Längsachse des zweiten zylindrischen Abschnitts 41 bildet einen Winkel γ mit der abspritzseitigen Stirnfläche 35 des Ventilsitzkörpers 5. Weiterhin besteht der Spritzlocheinlauf bzw. die Einlassöffnung 36 aus einem Zylinder mit dem Durchmesser d, und der Spritzlochauslauf bzw. die Auslassöffnung 37 besteht aus einem Zylinder mit dem Durchmesser D, der größer als der Durchmesser d ist. Die Längsachse des ersten zylindrischen Abschnitts 40 und die Längsachse des zweiten zylindrischen Abschnitts 41 sind in einem Winkel α zueinander geneigt. Der Winkel α steuert, in welchem Verhältnis der durch den Einlaufzylinder bzw. den ersten zylindrischen Abschnitt 40 axial geleitete Fluidstrom der Geschwindigkeit v im Auslaufzylinder bzw. im zweiten zylindrischen Abschnitt 41 in eine Radial-(v_r) und damit Umfangskomponente (v_u) umgewandelt wird. Dies ist umso stärker der Fall, je größer der Winkel α zwischen den beiden Längsachsen ist.
Mit dem Winkel γ wird der Abspritzwinkel vorgegeben. Dieser kann bei konstantem α und damit ohne Funktionsbeeinträchtigung variiert werden. Es ändert sich hierbei lediglich der Einlaufwinkel φ. Idealerweise ist das Verschneidungsmaß I möglichst gleich oder kleiner Null. Diese Forderung wird am leichtesten erfüllt, wenn b gleich Null ist, dass heißt, wenn ein Abschnitt einer Mantelfläche des ersten zylindrischen Abschnitts 40 an einen Abschnitt einer Mantelfläche des zweiten zylindrischen Abschnitts 41 angrenzt und ein weiterer Abschnitt einer Mantelfläche des ersten zylindrischen Abschnitts 40 an einer Deckfläche 42 des zweiten zylindrischen Abschnitts 41 angrenzt. In 3b ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 3a gezeigt. Hier ist ersichtlich, dass die beiden Zylinderachsen nicht in einer Ebene liegen müssen bzw. liegen, sondern einen seitlichen Versatz f aufweisen. Je größer f ist, desto unregelmäßiger wird die Aufteilung des Massenstroms auf die beiden Lamellen bzw. den Film 39.
Das erfindungsgemäße Strömungsprinzip ist nochmals in 4a und 4b verdeutlicht. Insbesondere, wenn das Verschneidungsmaß I nicht gleich Null ist, wird ein Teil des Strahls mit einem Abspritzwinkel gleich dem Einlaufwinkel φ bzw. der Richtung von v abgespritzt und bildet einen Nebenstrahl, welcher in 4a und 4b mit Bezugszeichen 43 gekennzeichnet ist. Dieser Anteil wird nicht zum Aufbau der Lamellen bzw. des dünnen Films 39 verwendet. Die Geschwindigkeitskomponente des Geschwindigkeitsvektors v, welche parallel zur Längsachse des zweiten zylindrischen Abschnitts 41 verläuft (v_ax), wird vorwiegend als Hauptstrahl bzw. Freistrahl 38 koaxial zu diesem abgespritzt. Die Geschwindigkeitskomponente v_r wird teilweise in die Geschwindigkeitskomponente v_u umgewandelt und dient zum Aufbau der Lamellen 39 bzw. des dünnen Films 39. Nachdem die Lamellen das Spritzloch 7 an der abspritzseitigen Auslassöffnung 37 des zweiten zylindrischen Abschnitts 41 des Spritzlochs 7 verlassen, wird aufgrund der durch die Umfangskomponente aufgebauten Zentrifugalkraft wieder eine Radialkomponente erzeugt, die zu einer verstärkten Auffächerung des Strahls führt.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (18) einer Brennkraftmaschine, mit einer in einem Düsenkörper (2) angeordneten Ventilnadel (3), welche durch einen Aktor betätigbar ist, und mit einem mit der Ventilnadel (3) in Wirkverbindung stehenden Ventilschließkörper (4), der zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) mit einer Ventilsitzfläche (6) zusammenwirkt, die an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet ist, wobei der Ventilsitzkörper (5) mit zumindest einem Spritzloch (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Spritzloch (7) einen ersten zylindrischen Abschnitt (40) mit einer Brennstoffeinlassöffnung (36) und einen stromabwärts des ersten zylindrischen Abschnitts (40) angeordneten zweiten zylindrischen Abschnitt (41) mit einer Brennstoffauslassöffnung (37) aufweist, wobei der erste und der zweite zylindrische Abschnitt (40, 41) nicht koaxial zueinander verlaufen.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Längsachsen des ersten zylindrischen Abschnitts (40) und des zweiten zylindrischen Abschnitts (41) in einem Winkel α zueinander geneigt sind.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinlassöffnung (36) einen Durchmesser d aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser D der Brennstoffauslassöffnung (37).
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des zweiten zylindrischen Abschnitts (41) in einem Winkel γ gegenüber einer abspritzseitigen Stirnfläche (35) des Ventilsitzkörpers (5) geneigt ist.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des ersten zylindrischen Abschnitts (40) um einen Winkel φ gegenüber einer zulaufseitigen Stirnfläche (34) des Ventilsitzkörpers (5) geneigt ist, welcher den Brennstoffeinlaufwinkel kennzeichnet.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschneidungsmaß (I) gleich, kleiner oder größer als Null ist.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mantelflächenabschnitt der Zylinderwand des ersten zylindrischen Abschnitts (40) an einen Mantelflächenabschnitt der Zylinderwand des zweiten zylindrischen Abschnitts (41) angrenzt und ein weiterer Mantelflächenabschnitt der Zylinderwand des ersten zylindrischen Abschnitts (40) an einen Abschnitt der Deckfläche (42) des zweiten Zylinderabschnitts (41) angrenzt.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Mantelfläche der Zylinderwand des ersten zylindrischen Abschnitts (40) an die Deckfläche (42) des zweiten Zylinderabschnitts (41) angrenzt.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte oder ein Teil des abgespritzten Brennstoffstrahls als dünne Lamelle ausgegeben wird und im zweiten Fall der Rest als turbulenter zylindrischer Freistrahl ausgegeben wird.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Zylinder (40, 41) einen Winkel (α) gegeneinander aufweisen, der größer Null ist.